一种透射式平面闪耀光栅槽形角的测量方法

摘要

本申请公开了一种透射式平面闪耀光栅槽形角的测量方法，包括如下步骤：使线光源发出的平行光束沿光栅面法线方向入射闪耀光栅，记录此时闪耀光栅的基准线与零位之间的初始角度K1，以及所述线光源的光能量值；保持光源不动，沿所述闪耀光栅的中心轴旋转所述闪耀光栅，并持续检测从所述闪耀光栅的刻痕小平面出射的衍射光能量值，当所述闪耀光栅每转过1°的两个T值之间差值的绝对值≧5％时，记录终止角度K2；据如下公式计算所述闪耀光栅槽形角θ：其中，n为所述闪耀光栅基片材料的折射率，k＝K2‑K1。本申请所述的槽形角的测量方法测量光路简单，实验要求低，且无需切片，对待测的闪耀光栅是无损的。

权利要求

1.一种透射式平面闪耀光栅槽形角的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：使线光源发出的平行光束沿光栅面法线方向入射闪耀光栅，记录此时闪耀光栅的基准线与零位之间的初始角度K1，以及所述线光源的光能量值；保持光源不动，沿所述闪耀光栅的中心轴旋转所述闪耀光栅，并持续检测从所述闪耀光栅的刻痕小平面出射的衍射光能量值，当所述闪耀光栅每转过1°的两个T值之间差值的绝对值≧5％时，记录闪耀光栅的基准线与零位之间的终止角度K2；

其中，所述中心轴是指同时垂直于光栅面的法线和任意刻痕小平面法线，且穿过所述闪耀光栅的轴线；所述T值为：当前角度的所述衍射光能量值/所述线光源的光能量值；

根据如下公式计算所述闪耀光栅槽形角θ：

其中，n为所述闪耀光栅基片材料的折射率，k＝K2-K1，

所述基准线为如下线条中的一种：所述闪耀光栅的光栅面的法线，刻痕小平面的法线、光栅面的延长线或者刻痕小平面的延长线；

在测试开始前，先搭建测试光路，在一精密旋转台上竖直设置待测闪耀光栅，并使闪耀光栅的中心轴与所述精密旋转台的转动轴线重合设置，在精密旋转台设有零位。

2.根据权利要求1所述的透射式平面闪耀光栅槽形角的测量方法，其特征在于，所述线光源为金属蒸汽灯、空气阴极灯或者激光发射器发射的光源。

3.根据权利要求2所述的透射式平面闪耀光栅槽形角的测量方法，其特征在于，所述金属蒸汽灯为汞灯或者钠蒸汽灯。

4.根据权利要求2所述的透射式平面闪耀光栅槽形角的测量方法，其特征在，所述激光发射器发射的波长为632.8nm的光。

5.根据权利要求1所述的透射式平面闪耀光栅槽形角的测量方法，其特征在于，所述衍射光能量采用如下光学检测器中的一种进行检测：硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二级管阵列检测器、光功率计或者半导体检测器。

说明书

一种透射式平面闪耀光栅槽形角的测量方法

技术领域

[0001] 本申请涉及光学领域，尤其涉及一种透射式平面闪耀光栅槽形角的测量方法。

背景技术

[0002] 当光栅刻划成锯齿形的线槽断面时，光栅的光能量便集中在预定的方向上，即某一光谱级上。从这个方向探测时，光谱的强度最大，这种现象称为闪耀(blaze)，这种光栅称为闪耀光栅。按工作原理，可以分为透射式闪耀光栅和反射式闪耀光栅。

[0003] 透射式平面闪耀光栅的一侧为光栅面，一侧为锯齿形，锯齿形的一侧设有多个刻痕小平面,刻痕小平面与光栅面之间有一夹角θ，称为槽形角。槽形角的加工误差会直接导致光栅的衍射效率、分辨率、杂散光等出现误差，进而影响测试光谱的质量，目前，常用的测量槽形角的方法主要有如下两种：

[0004] (1)直接测量法。先以透射式平面闪耀光栅为母版进行复制，然后将复制的光栅基板与母版分离并固化，最后将复制的光栅基板切成薄片，用电子显微镜对复制基板的槽形角进行直接观察和测量。这种方法的测量准确程度受限于复制和切片质量，且在复制的过程中可能会对光栅造成不可修复的损伤。

[0005] (2)反推法。利用傅里叶模式理论得出透射式平面闪耀光栅的光谱图，通过加高斯噪声来模拟实验中的测量光谱图，根据评价函数，选择出合适的反演算法，确定出参数的范围，搜出待测参数的值。这种方法原理复杂，推演步骤多，误差高达5％。

发明内容

[0006] 鉴于目前闪耀光栅槽形角的测量方法存在的上述不足，本申请提供一种透射式平面闪耀光栅槽形角的测量方法，无需对闪耀光栅进行复制和切片即可测量槽形角，操作步骤简单且不会对透射式平面闪耀光栅造成损伤。

[0007] 本申请进一步要解决的技术问题是寻找合适的测量参数，使槽形角的推演步骤更加简单。

[0008] 为达到上述目的，本申请的实施例采用如下技术方案：

[0009] 一种透射式平面闪耀光栅槽形角的测量方法，包括如下步骤：

[0010] 使线光源发出的平行光束沿光栅面法线方向入射闪耀光栅，记录此时闪耀光栅的基准线与零位之间的初始角度K1，以及所述线光源的光能量值；保持光源不动，沿所述闪耀光栅的中心轴旋转所述闪耀光栅，并持续检测从所述闪耀光栅的刻痕小平面出射的衍射光能量值，当所述闪耀光栅每转过1°的两个T值之间差值的绝对值≧5％时，记录终止角度K2，其中，所述中心轴是指同时垂直于光栅面的法线和任意刻痕小平面法线，且穿过所述闪耀光栅的轴线；所述T值为：当前角度的所述衍射光能量值/所述线光源的光能量值；

[0011] 根据如下公式计算所述闪耀光栅槽形角θ：

[0012]

[0013] 其中，n为所述闪耀光栅基片材料的折射率，k＝K2-K1。

[0014] 所述闪耀光栅的中心轴是指同时垂直于光栅面的法线和任意刻痕小平面法线，且穿过所述闪耀光栅的轴线，可以有多种选择。所述线光源是指能够提供单一波长的光源。所述基准线是指从闪耀光栅上选取的参考线，所述基准线在精确旋转台上的投影线与零位夹角值即为K1或者K2的读数值。

[0015] 选取单色光的平行光线，使其从光栅面进入闪耀光栅，且经过闪耀光栅折射后入射在刻痕小平面上，控制平行光线进入光栅的角度，即第一入射角的角度，可以在刻痕小平面上产生不同的光学现象，透射方向衍射光能量也会不同。当调整第一入射角，使经过闪耀光栅折射后在刻痕小平面上的入射角，即第二入射角刚好等于闪耀光栅基片材料与空气形成的全反射临界角时，所述闪耀光栅在刻痕小平面的出射的衍射光能量会发生突变，这个突变容易被光检测器感知。利用这个现象，我们选取了两条光路来采集角度数据，进而计算闪耀光栅的槽形角：

[0016] 第一条光路：线光源发出的平行光束沿光栅面法线方向入射闪耀光栅，在进入光栅后，光线不改变传播方向，继续沿光栅面的法线方向传播至刻痕小平面，在这条光路中，所述第一入射角等于0度，记录此时所述闪耀光栅的基准线与零位之间的初始角度K1和所述线光源的光能量值；第二条光路：线光源发出的平行光束以第一入射角k入射到光栅面上，此时平行光束在闪耀光栅内发生折射，折射角为i，折射光线继续向前传播，达到刻痕小平面，此时刻痕小平面上的入射角，即第二入射角α刚好等于闪耀光栅基片材料与空气形成的全反射临界角。在这条光路中，由于从线光源入射的光束最终在刻痕小平面上发生了全反射，故在所述闪耀光栅的刻痕小平面的出射的衍射光能量会发生突变，这种突变易被光检测器感知，在实际的测量中，我们可以选择当所述闪耀光栅每转过1°的两个T值之间差值的绝对值≧5％时，记录此时所述闪耀光栅的基准线与零位之间的终止角度K2，其中，所述T值为：当前角度的所述衍射光能量值/所述线光源的光能量值。

[0017] 将第一条光路设置为测试的初始状态，将第二条光路设置为测试的终止状态，将第一条光路转换至第二条光路，通过绕中心轴转动闪耀光栅即可实现。由于初始状态光线的入射线与光栅面的法线平行，故通过精确控制闪耀光栅旋转，当闪耀光栅旋转至终止状态时，所述闪耀光栅转动的角度等于终止状态的第一入射角k，即k＝K2-K1，此时的折射角i可以通过snell折射定律进行计算：

[0018]

[0019] 其中，k为光线经过光栅面进入闪耀光栅的第一入射角，i为折射角，n为闪耀光栅基片材料的折射率，空气的折射率为1。

[0020] 光线进一步向前传播，入射到刻痕小平面上，此时发生全反射，光线入射在刻痕小平面上的第二入射角α，根据直角三角形的原理，满足如下等量关系：

[0021] α＝i+θ..................(2)

[0022] 其中i是折射角，θ是槽形角，即刻痕小平面与光栅面之间的夹角。

[0023] 同时，根据全反射定律，闪耀光栅基片材料与空气形成的全反射临界角，第二入射角α还满足如下等量关系：

[0024]

[0025] 其中，n为闪耀光栅基片材料的折射率。

[0026] 将式(1)和式(3)代入式(2)，即可求得槽形角θ的值，具体如下：

[0027]

[0028] 用如上方法，只需要测量两个角度K1和K2，即可准确计算槽形角。且在全反射时，在所述闪耀光栅的刻痕小平面出射的衍射光能量会发生突变，即会发生较大的变化，通过现有技术中的光检测器，可以准确指示K2值的读取位置，在测试的过程中，无需对透射式平面闪耀光栅进行复制和切片即可准确测量槽形角，不会对光栅造成损坏，此外，光路简单，试验要求低，通过对所述闪耀光栅在刻痕小平面出射的衍射光能量进行监测，测量所述闪耀光栅在测量过程中从第一条光路转换至第二条光路时转动的角度值，通过该转动的角度值来推演槽形角的角度值，原理简单，推演步骤少。

[0029] 优选的，所述基准线为如下所述线条中的一种：所述闪耀光栅的光栅面的法线，刻痕小平面的法线、光栅面的延长线或者刻痕小平面的延长线。基准线可以读数的方便程度进行选择。

[0030] 优选的，所述线光源为金属蒸汽灯、空气阴极灯或者激光发射器发射的光源。

[0031] 优选的，所述金属蒸汽灯为汞灯或者钠蒸汽灯。

[0032] 优选的，所述激光发射器发射的波长为632.8nm的光。

[0033] 优选的，所述衍射光能量采用如下光学检测器中的一种进行检测：硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二级管阵列检测器、光功率计，或者半导体检测器。

[0034] 与现有技术相比，本申请具有如下优点：

[0035] (1)本申请所述的槽形角的测量方法无需对闪耀光栅进行复制和切片即可测量槽形角，操作步骤简单且不会对透射式平面闪耀光栅造成损伤；

[0036] (2)本申请所述的槽形角的测量方法测量光路简单，实验要求低；

[0037] (3)本申请所述的槽形角的测量方法原理简单，推演步骤少，检测的准确率高，测量误差仅为2.8％。

附图说明

[0038] 为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0039] 图1为本申请所述的一种透射式平面闪耀光栅槽形角的测量方法的测试光路示意图；

[0040] 图2为本申请所述的一种透射式平面闪耀光栅槽形角的测量方法的测试的初始状态的光路图；

[0041] 图3为本申请所述的一种透射式平面闪耀光栅槽形角的测量方法的测试的终止状态的光路图。

具体实施方式

[0042] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0043] 如图1、图2和图3所示，一种透射式平面闪耀光栅槽形角的测量方法，在测试开始前，先搭建测试光路，所述测试光路具体如图1所示，在一精密旋转台2上竖直设置待测闪耀光栅1，并使闪耀光栅1的中心轴与所述精密旋转台2的转动轴线重合设置，即精密旋转台2的转动轴同时垂直于光栅面的法线和任意刻痕小平面法线，且穿过所述闪耀光栅。在转台上设有零位和标识角度的刻线，所述闪耀光栅1的标准线主要用来读数，可以有多种设置方式，本申请选取光栅面11的法线作为闪耀光栅1的标准线，用来读取初始角度K1值和最终角度K2值，其中精密旋转台的最大角速度不超过40°/s，精度控制在±0.01°。例如，可以使用Newport公司生产的型号为的URS100BPP或者URS150BPP的精密旋转台2，所述闪耀光栅介质的折射率为1.514,所述闪耀光栅的槽形角标定值为30°，例如所述闪耀光栅基底材料可以采用Schott公司生产的的玻璃B270。

[0044] 在精密旋转台2的一侧，与旋转台间隔一定距离设置线光源3，间隔的最小距离可以设置为所述线光源3不干涉精密旋转台2的正常旋转的距离。所述线光源3用来提供特定波长的光，所述线光源3可以采用金属蒸汽灯、空气阴极灯或者激光发射器，其中，所述金属蒸汽灯可以选用汞灯和钠蒸汽灯，激光发射器可以任意选择，本申请的后续测量中选用激光发射器来发射单一波长的平行光束，所述激光的波长为632.8nm。

[0045] 在精密旋转台2与所述线光源3相对的一侧设置光检测器4，用于检测经过闪耀光栅1后的单色光的衍射光能量，更优选的，还可以设置计算机与检测器联用，通过计算机监测精密旋转台2在转动过程中衍射光能量值的变化，使视觉效果更加直观，所述光检测器4可以选用硒光电池、光电二极管、光电倍增管、硅二级管阵列检测器或者半导体检测器中的任意一种，在本申请中，选用THORLABS光功率计来检测衍射光能量。

[0046] 搭建好光路后，按如下步骤开始测试：

[0047] 步骤1：如图2所示，使激光发射器发出的波长为632.8nm的平行光束沿光栅面11法线方向入射至闪耀光栅1，并使所述闪耀光栅1的基准线与零位之间的初始角度K1等于0度，以及所述线光源的光能量值Q1。

[0048] 在此初始状态，由于空气折射率在数值上等于1，闪耀光栅1基片材料折射率为n，槽形角为θ，L为入射光线，L’为最大光强的方向。因为垂直于闪耀光栅1的光栅面11入射，所以入射光线由空气入射到闪耀光栅1的光栅面11时不改变传播方向，在闪耀光栅1内依旧沿入射线的方向传播。当入射光线入射至刻痕小平面12时发生衍射，满足光栅方程，用光检测器4直接检测所述线光源的光能量值Q1为3.8mW。

[0049] 步骤2：如图3所示，保持光源不动，转动精密旋转台2，使精密旋转台2带动闪耀光栅1绕中心轴旋转，并持续检测在刻痕小平面12出射的衍射光能量，当所述闪耀光栅每转过1°记录一次，当所述闪耀光栅每转过1°时，两个T值之间差值的绝对值≧5％时，记录终止角度K2，其中，所述T值为：当前角度的所述衍射光能量值/所述线光源的光能量值。此时入射在刻痕小平面12上的入射角刚好等于闪耀光栅1基片材料与空气形成的全反射临界角，记录终止角度K2，在所述闪耀光栅转动的过程中，在全反射发生前后的数据列示在表1中，所述闪耀光栅每转动1°记录一次所述衍射光能量的数据，从表中可以看出，在三次平行测量中，K2值均为16°；

[0050] 表1：

[0051]

[0052] 表1中的T值为：当前角度的所述衍射光能量值/所述线光源的光能量值；Z为所述闪耀光栅每转过1°时，前后两个T值之差的绝对值。

[0053] 在上述的转动的终止状态，如图3所示，在刻痕小平面12上形成的第二入射角刚好等于闪耀光栅1与空气形成全反射的临界角，其中，L为入射光线，L'为入射光线由空气射入闪耀光栅1基底面时的折射光线，L”为刻痕小平面12上的全反射光线，其中入射到闪耀光栅1的光栅面11的第一入射角k即为精密旋转台2转动的角度，即k＝K2-K1,在具体计算时，由于K1至为0，所述k在数值上等于K2，i为折射角,α为入射到刻痕小平面12的第二入射角。

[0054] 步骤3：根据如下公式计算所述闪耀光栅1槽形角θ：

[0055]

[0056] 其中，n为所述闪耀光栅1基片材料的折射率，k＝K2-K1，计算出的数值列示在表2中。

[0057] n θ标定值 K1 K2 k θ计算值 误差1.514 30° 0 16° 16° 30.85° 2.8％

[0058] 表2中误差的计算方法如下：

[0059] 误差＝θ的计算值与θ的标定值之间的差值/θ的标定值。

[0060] 下面结合附图对槽形角计算公式的推导过程进行说明。在转动的终止状态，如图3所示，入射光线由空气射入闪耀光栅1的光栅面11时会发生折射。根据snell折射定律，折射角i为：

[0061]

[0062] 其中，式(1)的中的n为闪耀光栅1基片材料的折射率,k为第一入射角，空气的折射率为1。

[0063] 如图3所示，根据直角三角形以及三角形的三个内角之和为180度，此时第二入射角α满足：

[0064] α＝i+θ......(2)

[0065] 其中，θ为槽形角。

[0066] 根据全反射定律，闪耀光栅1刻痕小平面12形成的入射角α刚好等于闪耀光栅1基片材料与空气形成的全反射临界角。所以有

[0067]

[0068] 其中，n为所述闪耀光栅1基片材料的折射率。

[0069] 将上述的式(1)和式(3)，代入式(2)，得到槽形角的计算公式如下：

[0070]

[0071] 从上述具体实施方式可以看出，本申请所述的槽形角的测量方法具有如下优点：

[0072] 本申请所述的槽形角的测量方法无需对闪耀光栅进行复制和切片即可测量槽形角，操作步骤简单且不会对透射式平面闪耀光栅造成损伤；

[0073] 本申请所述的槽形角的测量方法测量光路简单，实验要求低；

[0074] 本申请所述的槽形角的测量方法原理简单，推演步骤少，检测的准确率高，测量误差仅为2.8％。

[0075] 以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域技术的技术人员在本申请公开的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。